Revista Internacional de ContaminacinAmbientalISSN: 0188-4999rvp@atmosfera.unam.mxUniversidad Nacional Autnoma de MxicoMxico

Armendriz, Sal I.; Porta-Gndara, Miguel A.; Foster, Robert E.; Koutsoukos, Petros G.; Bautista-Margulis, Ral G.; Grado, Juan A.; Alonso, Gabriel

Estudio de la precipitacin de carbonato de calcio en un destilador solar experimentalRevista Internacional de Contaminacin Ambiental, vol. 21, nm. 1, 2005, pp. 5-15

Universidad Nacional Autnoma de MxicoDistrito Federal, Mxico

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=37021101

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Rev.Int.Contam.Ambient.21(1)515,2005

ESTUDIODE LAPRECIPITACINDECARBONATODECALCIOENUNDESTILADOR SOLAR EXPERIMENTAL

SalI.ARMENDRIZ1,MiguelA.PORTAGNDARA2,RobertE.FOSTER3, PetrosG.KOUTSOUKOS4,RalG.BAUTISTAMARGULIS5,JuanA.GRADO6 yGabrielALONSO1

1CentrodeInvestigacinenMaterialesAvanzadosS.C.,MigueldeCervantesSaavedra120,ComplejoIndustrialChihuahua,Chihuahua31109,Mxico.Correoelectrnico:saul.armendariz@cimav.edu.mx.Tel:(614)4394839

2CentrodeInvestigacionesBiolgicasdelNoroeste,ApartadoPostal128,LaPaz23000,BCS,Mxico.3SouthwestTechnologyDevelopment Institute,NewMexico StateUniversity,MSC 3 SOLAR, P.O. Box30001,LasCruces,NuevoMexico,880038001,EUA

4DepartmentofChemicalEngineering,UniversityofPatras,UniversityCampus,GR26500Patras,Grecia5UniversidadJurezAutnomadeTabasco,DivisinAcadmicadeCienciasBiolgicas,C.P.860396UniversidadAutnomadeChihuahua,FacultaddeZootecnia,PerifricoFranciscoR.Almadakm.1.Admn.decorreos428,Chihuhauha,Chihuahua31031,Mxico

(Recibido agosto 2003, aceptado agosto 2004)

Palabrasclave:precipitacin,destiladorsolar,calciosoluble,bicarbonatossolubles,calcita

RESUMEN

Unfactorlimitanteparalaobtencindeaguapurificadaendestiladoressolareseslaprecipitacindesalesenlabasedelevaporador.Elobjetivodeestetrabajoeselestudioisotrmicoa60oCdelaprecipitacindeCaCO

3enundestiladorsolarexperimental,

utilizandocomoafluenteaguasubterrneaconaltocontenidodecalcio,bicarbonatosysulfatossolubles.Seefectuarontresexperimentosdelareaccinentreelcalcioconlosionesbicarbonato.Elprimerexperimentosesiguidurante5horasconeldestiladorlibredeincrustacioneselsegundodurante9horasconincrustacionesyelterceroporunperiodode8horasconuntiempopreviode72horasdecontactoentreelprecipitadoylasolucin.Durantelasdosprimerashorasenlostresexperimentosseprecipitaron71.7,253.0y400.7mgdeCaCO

3respectivamente.Enelprecipitadoseencontrcalcita

comonicafasecristalina.

Keywords:precipitation,solarstill,solublecalcium,bicarbonates,calcite

ABSTRACT

Alimitingfactorinsolarstillsfortheproductionofpurifiedwateristheprecipitationofsaltsinthestillbasin.TheobjectiveofthisworkwasthestudyofisothermicprecipitationofCaCO

3inaexperimentalsolarstillusinggroundwateraswatersupplywithhigh

concentrationsofsolublecalciumandsulfates.Threeexperimentsofcalciumandbicarbonatesreactionwereperformed.Thefirstexperimentwasfollowedduring5hourswithincrustationsfreestill, thesecond,during9hourswithincrustationsandthethirdexperimentina8hoursperiodwith72hoursofpreviouscontactbetweenthesolution

S.I.Armendrizetal.6

INTRODUCCIN

Elaguaesunanecesidadbsicaparalaproduccindealimentosylaconservacindelmedioambiente.Elhombrehasidodependientederos,lagosydepsitos de agua subterrnea para sus requerimientosdeaguadecalidadaceptableparaconsumo, tareasdomsticas,agriculturaeindustria.Sinembargo,elusodelaguadetales fuentesnoessiempreposibledebido a la presencia de altas concentraciones desalesy/omicroorganismospatgenos.Elimpactodemuchasenfermedadesquesufrelahumanidaddebido al consumo de agua sin tratar puede serdrsticamentereducidosisesuministraaguaaptaparaconsumohumano.Adems,elrpidocrecimientodelaindustria,laagriculturaylapoblacinenelmundo,ocasionaqueexistaunademandacadavezmsgrandedeagua(MowlayKarimi1995).

El aguasiempre contiene impurezasquesondeorigennaturaloantrpico.As,lapresenciadealtasconcentracionesdeimpurezasqumicasenlasaguassubterrneas,talescomolosionescalcioymagnesio(Ca+2yMg+2)quesonconstituyentesdeorigennatural,sedebealadisolucindeestosmineralesapartirdelasrocasdelsueloysubterrneas.Sinembargo,lapresenciadeloscompuestosdenitrgenoynitrgenoamoniacal (NH4), nitrito (NO2

) onitrato (NO3) en

agua subterrnea se debe a la contaminacin procedentedefertilizantesagrcolas,deresiduoslquidos agrcolas y de aguas residuales domsticas oindustriales.Encualquieradeloscasosestosagentesqumicosimpidenelusodelaguaparaconsumohumano.

Ladurezadelaguaes causadapor lapresenciadecualquiercatinpolivalenteperoprincipalmenteCa+2yMg+2yenmenormedidaFe+2yMn+2, sesuelenasociarconlasaguassubterrneas.

Porotraparte,cuandoelaguasubterrneallegaa contaminarse, no puededepurarse por smisma.Debidoaquelosflujosdeaguafreticasonlentosynoturbulentos,loscontaminantesnosediluyenydispersanefectivamente.Asmismo,haypocadescomposicinporbacteriasaerbicas,porqueelaguasubterrneaestprivadadelsuministrodeoxgenodelaatmsferaytienepoblacionesbastantepequeasdebacterias aerbicas y anaerobias degradadoras. Labajatemperaturadelaguasubterrneatambinhace

ms lentas las reacciones dedescomposicin. Estosignificaquesepuedennecesitarcientosdemilesdeaosparaque el agua subterrnea contaminada selibreasmismadeestosdesechos(Miller1992).

EnelsuroestedelosEstadosUnidosdeAmrica,nortedeMxicoyotrasreasdelmundo(AmricaLatinayfrica),pequeascomunidadeslocalizadasenreasremotastienenproblemascrticosconrespectoasuministrosadecuadosdeaguaaptaparaconsumo.Estas localidadespuedendependerdepozosde agua, de cisternas o de fuentes que soninapropiadasodecalidadmarginal.

Algunos problemas especficos en cuanto a lacalidadpuedenincluirlasalinidadexcesivadebidaalaaltaconcentracindehierro,calcio,magnesio,manganesoyfluoruros.Tambinporlapresenciademetalespesados,ascomolacontaminacinporbacteriasovirusyresiduosdeplaguicidas (herbicidasofungicidas).Eneste sentido, ladestilacin solar esunatecnologaqueseutilizaparaproduciraguaconcaractersticasaceptablesparaconsumoapartirdeaguascontaminadasyhasidoutilizadaenvariaspartesdelmundopormuchosaos,yaquepuedeeliminar sales, bacterias,metales pesados, organismospatgenos, as como plaguicidas (Zachrytz et al.2000).Sinembargo,estatecnologaserestringealaproduccindepequeascantidadesdeaguapotable,yaqueundestiladorconunreasuperficialde2m2proporcionaentre15y20litrosdeaguadiarios,dependiendo de la poca del ao, la intensidad de laradiacinsolar,lavelocidaddelviento,latemperaturaambientalylaalturadelalminadeagua,porloque se emplea en localidades rurales con pequeacantidaddehabitantes(FosteryCormier1999).

Enlaliteratura,pocasinvestigacionestratansobreaspectosqumicostalescomola formacindeincrustaciones enel evaporadorode capas desalsobre la salmueray si lo hacen esde formamuysomera. Si bien en la literatura se han reportadotrabajos relacionados con la determinacin de loscoeficientes de transferencia de calor, balancesenergticos, la visualizacin de la conveccin delfluido,elanlisisnumricoparaelclculodeceldasdecirculacinysusvelocidades,ascomoelefectode diferentes parmetros en la produccin, talescomointensidaddelaradiacinsolar,temperaturaambiental, ngulode inclinacindel condensador,

andtheprecipitate.Duringthefirsttwohoursinthethreeexperiments,71.70,273.00and400.70mgofCaCO

3wereformedrespectively.Intheprecipitatewasfoundcalciteas

onlycrystallinephase.

PRECIPITACINDECARBONATODECALCIO 7

velocidaddelviento,cantidadinicialdesalmueraconosinaislamientotrmicobajolacharola,adicindecolorantesenlasalmuera,distanciaptimaentreelevaporador y condensador cuando la longitud deldestilador es lamitad, rea del evaporador, etc.(Dunkle1961,Lof1961,Baum1964,Cooper1973,DickinsonyCheremisinoff1980,Malik etal.1982,Maalej1991,Porta1997),entreotros,existetambincarenciadeinformacinrelacionadaconlaformacin de capas de sal sobre la salmuera y deincrustacionesenelevaporador.As,por ejemplo,unodelosproblemascrticosenlaoperacindelosdestiladoressolaresdePuertoLobos,Sonora,fueron las incrustacionesdesalesyelcrecimientodelasmismas(Cabanillasetal.1995),apesardeunadecuado lavado de la salmuera (Cabanillas yMontao 1995).Asimismo,Armendriz (1999),mencionaqueempleandoaguasubterrneaconaltocontenido de calcio como afluente en estos sistemas,laformacindeincrustacionesenlabasedelevaporadoresunfactorlimitanteenlaproduccindeaguapurificadaendestiladoressolares.

Porotrolado,unadelasprincipalescaractersticasen lazonadeMatehualaesqueelaguapresentunaltocontenidoensalesdisueltas.Debidoaeso,seformaron rpidamente incrustaciones en la base delevaporador, por loquefue necesario un serviciodemantenimientoparalimpiartalessalesacumuladas.Poresto,seharecomendadoalosusuarioslavardiariamenteeldestiladorconagua(OjinagayFoster2001).

Recientemente,Zachritzetal.(2000)mencionanqueduranteeltranscursodeltiempoyespecialmentecuandoseusaaguaconaltaconcentracindeionesenlosdestiladores,losmineralesempiezanadepositarse en la base durante el proceso de destilacin.Estocambiaelcolordelabasedenegrobrillanteablancomate.Porlotanto,laenergasolarusadaparaevaporarelaguanoseabsorbeeficientemente.Asimismo,sealanqueundestiladorcongrancantidaddesedimentodesalesreflejacercadel39%deenerga,mientrasqueunabasenegraylimpiareflejasloel6%.Estefenmenoafectaenladisminucindelaproduccinenaproximadamente20%.

Porotraparte, las cinticasdeprecipitacindeCaCO3,hanestadobajointensainvestigacinpormsdetresdcadas,sinembargo,anexistenvariosaspectosquenecesitanserinvestigados.Elanlisisdelaprecipitacindecalcioconotrassalessolublesesunaspectomuyimportante,del cualse sabepoco,msanenaguasubterrnea,dondeexistenvariosiones en solucin (Kladiet al. 2000).El efectodeestosenlaprecipitacinyensucinticaesdesconocido.Sepuedenhaceraproximacionestericasme

dianteelusodesistemasdeequilibriotermodinmicoentreespecies(ParkhurstyAppelo2001)perolainterroganteesconocerquetanrealesserantalesclculos, especialmente en sistemas donde elpolimorfismoesunimportantefactor,comoeselcasodelcarbonatodecalcio(KoutsoukosyKontoyannis1984,Xylaetal.1989).Sinembargo,paraefectuarelanlisiscintico,primeroesnecesarioconocerelcomportamientode la reaccindeprecipitacindelCaCO3,conlafinalidaddeconocerellapsodetiempodondelareaccinocurreconmayorrapidezydeah,extraermuestrasatiemposregulareshastaobtener suficientes datos y de estamanera, efectuarlosclculosparadeterminarelordendelareaccin.

PARTEEXPERIMENTAL

EstetrabajodeinvestigacintuvocomoobjetivoprincipalcomprenderelcomportamientodelareaccindeprecipitacindelCaCO3enundestiladorsolarsomeroaescalaexperimental, bajocondicionesisotrmicasa60oC.Enestosexperimentosseutilizagua subterrnea como afluente. Se presentan trestiposdeexperimentosparaconocerlainfluenciadelprecipitado previamente formado en el destilador,comparadocon el usode unevaporador limpiodeincrustacionessobrelacantidaddeCaCO3 precipitado.Asimismosedeterminanlascantidadesprecipitadasdelasalatravsdeltiempo,ascomoelefectodelainfluenciadeltiempodecontactoentrelasolucinyelprecipitado.TambinsepresentaunestudiotericoconelprogramaPHREEQCusandolosdatosdelacomposicinqumicadelaguasubterrnea.Porltimo,semuestralamezclaptimadedestiladoyaguasubterrneaparaelevarelrendimiento,manteniendolaconcentracindesalespordebajodeloslmitespermisiblesdecalidaddeaguaparaconsumohumano.

Diseo del prototipoElprototipoexperimentalquesemuestraen la

figura1sebasenundestiladorsolardeunapendientequetieneunngulodeinclinacinde4 grados.Elevaporadoresdeaceroinoxidable(0.61mdelargo,0.32mdeanchoy0.055mdealturamedia),alcanzandounreasuperficialde0.195m2.Elcondensadoresvidriocomercialde3mmdeespesor. El destilador experimental fue calentado conunaparrillaelctricamarcaThermolynede0.33mx0.61mconelfindemantenerconstantela temperaturaen lasalmuera. Laparrillay la basedelevaporador estn aislados por una caja de

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policarbonatotransparente.Encuantoaldiseo,lasdimensiones(anchoylargo)delprototiposonproporcionalesalasempleadasendestiladoressolaresdecampo,estoes2x1m(FosteryCormier1999).Enelcasodelaalturamediad (ladistanciaentrelabasedelevaporadoryelcondensadorcuandolalongitud es lamitad) fue establecidaconbase en losestudios efectuados por Porta (1997), en los queencontrlamenordistanciadqueesposibletenerdesdeelpuntodevistaconstructivoparaundestiladorsolardeunapendiente,alnotarunincrementoenlavelocidaddelfluidocuando d disminuyehasta55mm,conloqueseobtuvieronlasproducciones

mximasreportadas.Deigualmaneraencontrqueelngulomsadecuadoparaelcondensadoresde4 grados, suficiente para crear una inestabilidadentrelasdistintasceldasconvectivasporqueslolaperiferiadelvrticeparticipaenlatransferenciademasadebidoaquelaspartescentralesdelosvrtices nunca tocanni al evaporador ni al condensador.Porestarazn,seutilizelngulode4gradoseneldiseodelprototipoyladistanciaentreelcondensadoryelevaporadorfuede55mm.

Mater ial de tr abajoEnesteestudio lasconcentracionesde los iones

ensolucinsonlasdelaguasubterrneadelaciudaddeOjinaga,Chihuahua(mismaconlaquesealimentaraalosdestiladoressolaresdecampo).Porlotanto,enelexperimentoslovaranlatemperaturaylascondicionesdetrabajo.

EstaciudadestlocalizadaenelnorestedelestadodeChihuahuaenunazonasemidesrticaytienelascondicionesclimticasidealesparalaimplementacindelatecnologadedestilacinsolar,yaqueenveranolastemperaturasfluctanentre20y50oCylaintensidaddelaradiacinsolarllegahasta900W/m2(Armendriz1999)

Lascaractersticasdelacomposicinqumicadelaguautilizadaenestosexperimentossemuestranenel cuadroI.Enel cuadroIIsemuestralaclasificacindelaescaladeladureza(Kiely1999)yseobservaqueelafluenteempleadoquedaenlasclasificacindemuydura.

DeacuerdoconlaNormaOficialMexicanarelativaalmitespermitidosdecalidaddelagua(Secre

Parmetro Resultado LmitesmximosFisicoqumico Unidades (muestradeagua permitidos segn

subterrnea) la NOM127SSA

ph 7.50 6.58.5Slidos totales mg/L 2036 1000Conductividad mmhos/cm 2010 1000Dureza total mg/L 682 500Durezamagnsica mg/L 75 125Calciosoluble mg/L 243mg/L(607mg/L

comoCaCO3) 175

Magnesio soluble mg/L 30(75mg/LcomoCaCO

3) 125

Alcalinidad total mg/L 292 Sulfatos mg/L 1025 400Sodio mg/L 382 200Potasio mg/L 28 Fluoruros g/L 3.0 1.5Cloruros mg/L 167 250

CUADROI. COMPOSICINQUMICADELAGUASUBTERRNEA

a)

b )

c)

d )e)f )

g )

f )

h )

Fig.1. Esquemadeldestiladorsolarexperimental.Vistalateral.a) Garrafones con agua subterrnea b) entrada delafluentec)vidriod)mangueradelavadodesalmuerae)orificio demuestreo f) termmetros g) control detemperatura y h) receptordel destilado

PRECIPITACINDECARBONATODECALCIO 9

tara de Salud 1996), se puede observar que losparmetroscorrespondientesalaconductividadelctrica, dureza total, calcio soluble, sulfatos,conductividad,sodioyfluorurossobrepasanellmiteestablecido.Deahqueseanecesariodesalarelaguaparalaobtencindeaguaconcaractersticasaceptablesparelconsumohumano.

MetodologaDe acuerdo con trabajos efectuados por Mc

Cracken(1990)yAlmanza(1994),lamximaproduccindedestiladoseobtieneempleandounaalturadeaguanomayorde1cmenelevaporador.Enestetrabajoseutilizan2litrosdesalmueraparacubrirunespesorde1cmdealturaenesteprototipo.Luego,seelevlatemperaturadelasalmueraconlaparrillaelctrica,partiendodelatemperaturaambientehastaalcanzarlatemperaturadetrabajo.Latemperaturadeoperacinfueestablecidaconsiderandoquelaproduccinimportantedelosdestiladoressomerosseencuentraentre50y75oC(FosteryComier1999,Zachrytzetal.2000),porloquelatemperaturadetrabajo propuesta en este estudio queda dentro deeste rango.

Se llevaronacabo tres tiposdeexperimentos acondicionesisotrmicasde60oC.Cadaunofuerepetido 6 veces con el propsito de determinar laconfiabilidaddelosresultadosyobtenerunpromediodeestos.Elprimerexperimentosellevacaboconelevaporadorlibredeincrustacionesporunperiodode5horas.Elsegundoexperimentosellevacabopor un periodo de 9 horas en el evaporador conincrustaciones formadaspreviamente. El tercer experimentoserealizporunperiodode8horas,despusde72horasdecontactoentre lasolucinylaincrustacin previamente formada. El lapso demuestreofueestablecidoconbaseenresultadospreviosobtenidosdel gradode avancede la reaccin.Porejemplo,elprimerexperimentose llevacaboconelevaporadorlibredeincrustacionesporunperiodode5horas,dadoqueenestetiempolareaccinprcticamenteconcluye.Lomismoseefectuconelsegundoyeltercerexperimento.

Paradeterminarelavancedelareaccindepre

cipitacindeCaCO3 atravsdeltiemposecolectaronmuestrasdesalmuerade15mlcadahora.Estevolumensesumaalvolumendedestiladocorrespondienteparahacerelbalancedecalcioprecipitado.

Medicin de la concentr acin de calcioLasmuestrasdesalmuerafuerondigeridascon

5.5mldeHClconcentrado(gradoanaltico)en laparrillaelctricaa65oCporunahora.Despuslasolucinsellevaunmatrazaforadode100mlyseleadicion0.3gr.deKClacadaunadelasmuestras.Porltimo,laconcentracindecalciosolublefuemedida enun espectrofotmetro de absorcinatmica(EAA)yserealizarontresrepeticionespormuestra, de las cuales se obtuvo un promedio decadauna.

Determinacinde las cantidadesdeCaCO3 precipitado

Tomandoencuentaqueeldestiladopresenta 300 Muy dura

CUADROII.CLASIFICACINDELADUREZA

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Las tcnicas empleadas en la fase experimentalparalainterpretacindelosresultados,semuestranacontinuacin:

Determinacin deCat. La concentracin de calciosolublea travsdeltiempofuemedidaconunespectrofotmetro de absorcin atmica marcaAvantaGBC,mediante la flamadexidonitrosoacetileno.

Identificacin del precipitado y de los cristalesdepositados sobre la solucin.Para identificar lasespeciesprecipitadasysufasecristalinaseutilizlatcnica de difraccin de rayos x (DRX), con undifractmetro Siemens D5000, equipado con unmonocromador curvo degrafito que emplea radiacinCuKa de l=1.54056 D,elcualoperaa43kVy30mA.

Morfologa del precipitado y de los cr ista lesdepositados sobre la solucin. Lamorfologa delprecipitado y de los cristales depositados sobre lasalmuerafueronobservadasmedianteunmicroscopio electrnico de barrido (MEB)modelo JEOLJSM5800LV.

Prediccin terica de los slidos termodinmicamentems estables. Se emple el programa decmputoPHREEQC(Versin2),elcualestescritoenlenguajedeprogramacinCyestdiseadoparadesarrollar una amplia variedad de clculos geoqumicosabajastemperaturas.Sebasaenunmodelodeasociacinde ionesensolucionesacuosas.Paraestoseemplearonlosdatosdelacomposicinqumicadelaguautilizadaenestetrabajo(CuadroI).

RESULTADOS

Caracter izacin del precipitado por DRXElpatrndedifraccinquesemuestraenlafigu

ra2a presentalafasecristalinadecarbonatodecalciocorrespondienteacalcita.Estafaseaparecetantoenelprecipitadoqueseformenlabasedeldestilador,comoeneldepsitosobrelasolucinylamismaenlostresexperimentos(5,9y8horas).Lacalcitafue lanica fase encontrada en esta investigacin.Enla figura2bsepresentaelpatrndedifraccinde rayos X de la fase aragonita tomada deKontoyannisetal.(1997),estoconelpropsitodemostrarlasdiferenciasentrelasfasescristalinasdelCaCO3.

Morfologa de los cr istales por MEBEnlafigura3a semuestralamicrografadeuna

muestradeloscristalesdecalcitadepositadossobrelasalmuera.Enstasemuestralanucleacindeloscristalesendireccinlongitudinal.Enlamicrografadelafigura3bseobservanconmayoracercamiento los cristales formados.En los tres experimentosseobservlamismamorfologadeloscristales.Asimismo,unaobservacinaloscristalesenlasprimerasetapasdelaprecipitacin,mostrlamismamorfologaydimensionesdelacalcita.

Compor tamiento de la precipitacin de calcioLos cuadros IIIVmuestran la variacinde la

concentracinde calciosoluble en la salmuera, lascantidadesremanentesdecalciosoluble,lascantidadesprecipitadascomocarbonatodecalcioyelporcentajeprecipitadoen cadahora, quesedetermindividiendolacantidadprecipitadaencadahoraentrelacantidadprecipitadatotal.Cadacuadroresultdepromediar6corridasbajolasmismascondicionesde

Intens

idad

(u.a)

5000

4000

3000

2000

1000

010 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

2q (grados)

6000

7000

8000

(1,1,0) (1,1,1)

(0,2,1)

(0,0,2)

(0,1,2)

(2,0,0)

(0,2,2)

(1,2,2)

(0,3,2)

(2,0,2)

(0,1,3)

Fig.2B.PatrndedifraccinderayosXdelaaragonita

Intens

idad

(u.a)

5000

4000

3000

2000

1000

05 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

2q (grados)

(0,1,2)

(1,0,4)

(1,1,0)

(1,1,3)

(2,0,2)

(0,1,8)

(1,1,6)

(1,1,2)

Fig.2A.PatrndedifraccinderayosXdelacalcita

PRECIPITACINDECARBONATODECALCIO 11

trabajo.Losclculosdelascantidadesprecipitadasestnenfuncindelvolumentotaldelafluente.Asimismo,semuestranlasvariacionesdeladesviacinestndardelosvaloresobtenidos,loscualessecalcularon en porcentaje de error experimental y conestoseobtuvo lamediadecadaunodelosexperimentos.

Formulacinde lamezcla ptimapara consumohumano de agua destilada y subterrnea

Eldestiladorsolardeunapendienteproduceaguaconmuy baja concentracin inica.Un anlisis aldestiladoporespectrofotometradeabsorcinatmicamostrdurezaclcica

S.I.Armendrizetal.12

debajodelos90oCyqueporarribadesta,seformacalcita.LoanteriorconcuerdaconlosresultadosencontradosporKoutsoukosyKontoyannis(1994).Deacuerdoconloanterior,enestetrabajotambinserealizunestudiotericoconlosdatosdelacomposicinqumicadel cuadroI parapredecirlosslidos termodinmicamentems establesmediante elprogramadecmputoPREEQC(Versin2)diseado por Parkhurst yAppelo (2001) y se encontrcalcita,aragonitayfluorita.Esimportantesealarquelosprecipitadosdelasfasescristalinasqueseobtienendependenfuertementedelacomposicinqumicaafluente.Sinembargo,experimentalmente,eneste

trabajoseencontrnicamentecalcitacomoprecipitadotantoenlaincrustacincomoenloscristalesdepositadosenlasolucin,talcomosemuestraenelpatrndedifraccinderayosXdelafigura2a.Asimismo,enunestudioanterior,peroatemperaturade75oC(Armendriz2001)utilizandoelmismoafluentedelapresenteinvestigacin,seencontrlamismafaseymorfologadelCaCO3.

El hecho de que la calcita se deposite sobre lasolucinesunproblemadesdeelpuntodevistadelaeficiencia,debidoaqueenoperacinreal(utilizandoenergasolarcomofuentedeenerga),lareflectividaddelaradiacinsolarcomienzaanantesdellegaral

Muestra Salmuera Destilado Total Ca Catsoluble CapCaCO3 %(ml) (ml) extrado(ml) Ppm (mg) (mg) CaCO3

sn= 2% sn= 2% sn= 2%

Cai

2000 0 0 243 4.86 504 10.08M1 1950 50 50 228.30 4.56 445.20 8.90 102.0 2.04 18.95M2 1840 95 160 209.13 4.18 384.80 7.70 151.00 3.02 28.06M3 1745 80 255 197.55 3.95 344.72 6.89 100.20 2.00 18.62M4 1654 76 346 192.00 3.84 317.60 6.35 67.80 1.35 12.60M5 1563 74 437 190.00 3.80 296.97 5.93 51.57 1.03 9.58M6 1474 74 526 192.00 3.84 283.00 5.66 34.90 0.069 6.48M7 1383 75 616 198.30 3.96 274.00 5.48 22.50 0.45 4.18M8 1294 75 706 210.66 4.21 272.00 5.44 3.50 0.07 0.65M9 1202 77 798 224.75 4.49 270.15 5.40 4.62 0.09 0.85

Total 538.09 10.76 99.97

CUADROIV. RESULTADOSDELAPRECIPITACINDECaCO3DURANTE9HORASDEOPERACIN(8HORASA60oC)CONINCRUSTACIONESENELEVAPORADOR

Concentracindel afluentea tiempo inicialCai,Mt 1=muestra tomadaal alcanzar60 oC (1hora).Total extrado=destilado+15mldemuestra.Totalextrado=destilado+15mldemuestra.M2M9=muestrastomadasdela2a.ala9a.horas. sn=Desviacinestndar.

Muestra Salmuera Destilado Total Calcio Cat Cap %CaCO3(ml) (ml) extrado(ml) Ppm soluble(mg) CaCO3(mg)

sn= 2% sn= 2%

Cai

2000 0 0 243 4.86 486 9.72M1 1950 50 50 168.45 3.72 328.47 6.57 393.82 7.87 83.48M2 1848 87 152 172.82 3.45 319.37 6.38 22.75 0.45 4.82M3 1767 81 233 176.67 3.53 312.17 6.24 18.00 0.36 3.81M4 1673 79 327 182.43 3.64 305.27 6.10 17.25 0.34 3.65M5 1579 79 421 190.45 3.80 300.72 6.01 4.55 0.09 0.96M6 1485 79 515 198.30 3.96 294.47 5.88 6.25 0.12 1.32M7 1389 81 611 207.75 4.15 288.56 5.77 5.91 0.11 1.25M8 1291 83 709 221.05 4.42 285.37 5.70 3.19 0.06 0.67

Total 471.72 9.43 99.96

ConcentracindelafluenteatiempoinicialCai ,M1=muestra tomadaalalcanzar60oC(1hora).Totalextrado=destilado+15mldemuestraM2M8=muestrastomadasdela2a.ala8a.hora. sn=Desviacinestndar

CUADROV. RESULTADOSDELAPRECIPITACINDECaCO3DURANTE8HORASDEOPERACIN(7HORASA60oC), DESPUSDE72HORASDECONTACTOENTRELASOLUCINYLAINCRUSTACIN

PRECIPITACINDECARBONATODECALCIO 13

fondodel evaporador.Esto,aunadoa la formacindeincrustacionesenelfondodelevaporador,ocasionaquesedisminuyaconsiderablementelaabsorcindelaradiacinenlabasedelevaporador.

LasolucinaliniciodelexperimentopresentaunpHde7.2ydeacuerdoconSnoeynik(1995),aestepH la especie aninica predominante son losbicarbonatos(HCO3

1). Alaumentar la temperaturadelasalmuerasealteraelequilibrioyreaccionanlosionescalcioconlosbicarbonatosdeacuerdoconlasiguienteecuacinqumica:

Ca++(ac)+2HCO31(ac)+ D CaCO

3(s)+CO

2(g)+H

2O(l)

Cuandoelevaporadorestlibredeincrustaciones(experimento1, CuadroIII),lacantidadtotalprecipitadacomocarbonatodecalcioesde348.20mg,deloscuales,el11.48%seformaalalcanzarlatemperaturadetrabajo(60oC),esdecir,enlaprimerahoradetratamientotrmico.Alasegundahoradeoperacinsealcanzael20.59%delareaccin.ComosemuestraenelcuadroIIIlamayorcantidaddeprecipitadosepresentaentrelasegundaylacuartahorasdeoperacin.Al trminodelexperimentoel28%delosionestotalesdecalcioreaccionaron.

En el experimento 2 (Cuadro IV), semuestraqueen total seformaron538.09mgdeCaCO3, delos cuales253mg (47%),precipitadespusde lasegundahorade tratamiento trmico,porloquesesugierequelareaccindeprecipitacinentreelcalcioylosbicarbonatosesrpida.Lamayorpartedelareaccinsucedehastalasptimahora,sinembargo,lareaccinprosiguehastaelfinaldeltratamientotrmico.Alfinaldelexperimentoreaccionael44.25%deltotaldelosionesdecalcio.

Adiferenciade losresultadosobtenidosa75 oC(Armendriz2001),dondelareaccinseestabilizaalatercerahoradetratamiento,enestetrabajoa60oC,

Parmetros analizados Mezcla 7030

pH 6.97Alcalinidad total (mg/L) 97.50Dureza total 218.90Durezaclcica 195.80Sulfatos 226.16Cloruros 58.50Sodio 115.00Fluoruros 0.45Conductividad elctrica(mmhos/cm) 784

CUADROVI.RESULTADOSDE LOSANLISIS FISICOQUMICOSDELAMEZCLADEDESTILADOYDEAGUASUBTERRNEA

la reaccincontinapor lomenoshasta el trminodelexperimento.

Enelexperimento3(CuadroV),semuestraelpromediodelosresultadosdelexperimentoa72horasde contactoentre la soluciny el precipitado.Seobservaqueel83.48%delCaCO3precipitajustoalalcanzarlatemperaturadeoperacin,estoes,unacantidadde393.82mgdeCaCO3.Sinembargo,lareaccinseestabilizahastalasextahoradeoperacin.Enestecaso,el38.82%delosionesdecalciototalesreaccionaronhastaeltrminodelexperimento.

La cantidad total precipitada deCaCO3 de losexperimentossinincrustaciones(CuadroIII)fuede348.20mg,mientrasqueenelexperimentoconprecipitadoenelevaporador(CuadroIV) lacantidaddeCaCO3 fuede472.57mgparaelmismotiempode operacin (5 horas), por loque la cantidad aumentaproximadamenteenun35.71%,atribuyendoesteincrementoalaformacindelosprimeroscristales enel fondodel evaporador, los cuales actancomosemillasdecrecimiento.Enlascorridasdelaspruebas sin precipitado en el evaporador (CuadroIII),sloel28.65%delosionestotalesreaccionaron, mientras que en los experimentos conincrustaciones(CuadroIV),reaccionael38.89%,aumentandoenun10.23%lacantidaddeionesdecalcio totales reaccionan para elmismo tiempo deoperacin.

Comparando losexperimentos2y3seobservaunadiferenciaimportanteenlascantidadesprecipitadasdeCaCO3.Enelexperimento2seforman102mgdeCaCO3 justoalalcanzarlos60

oC,esdecirenlaprimerahora,mientrasqueenelexperimento3,seformanaestemismotiempo393.82mgdeCaCO3,esto es, un incremento de291.82mg.Conesto sedemuestraqueelporcentajemayordelareaccindeprecipitacin,sellevaacaboatemperaturaambiente,yaqueelefectodelcontactoentrelasolucinyelprecipitadodurante72horasesmsimportanteenlaprecipitacin del CaCO3 que la temperaturaisotrmicade60oC.

EstosresultadosmuestranquelaprecipitacindeCaCO3 sucederpidamenteyseaceleraporaccinde los cristales ansin tratamiento trmico,por loquedebebuscarseunaalternativadesolucinalproblema de la formacin de incrustaciones en elevaporador.

Porotraparte,esnecesarioqueelaguacontengaciertacantidaddeionesdisueltosparasatisfacerlasnecesidadescorporalesdesales,sobretodoenlapocadeprimaveraverano,cuandolastemperaturasenlareginoscilanentre30y50oC.En tal

S.I.Armendrizetal.14

caso, las temperaturas altasocasionan prdida desales,loqueprovocadeshidratacin,debilidadmusculary fatiga,entreotrosproblemasdesalud.Enestesentido,serecomiendamezclar elaguadestiladaconaguasubterrnea(sieshiginica)enunarelacinde70%devolumendedestiladocon30%devolumendeaguasaladaparaincrementarelrendimientodeaguaconcaractersticasaceptablesparaconsumohumano.Enestecaso losparmetrosdedurezatotal,durezaclcica,sulfatos,cloruros,sodio,fluoruros y conductividad elctrica (mostrados enelCuadroVI), quedandentro de los lmites permitidosdecalidaddeaguaparaconsumo.Noobstante,paramayorseguridad,sedeberagregarcloroalaguamezcladaparaeliminarenloposiblelacontaminacinpormanejo.Paraesto,essuficienteagregarde0.5a1.0mldehipocloritodesodioaungarrafnde20litros.Loanteriorpuedebeneficiarapequeascomunidadesalejadasdelaciudadquecarecen de agua potable, pero cuentan con pozosdeaguaconaltocontenidodemineralesylascondiciones climticas idneaspara la instalacin dedestiladores solares, como es el caso de Ojinaga,Chihuahua.

CONCLUSIONES

En los tres experimentos de 60 oC se encontrsolamenteCaCO3 en el precipitado. La nica fasecristalinaformadafuecalcita.

EnlasdosprimerashorasdeoperacinseformlamayorcantidaddeCaCO3estoes,enelexperimento1seformaron71.75mg,enelexperimento2precipitaron253mgy en elexperimento3416.57mg,porloquesesugierequelareaccinesrpida.

EnestetipodeafluentelareaccinentrelosionesCa++ylosHCO3

1,sellevaacaboenmayorporcentaje a temperatura ambiente, ya que el efecto delcontactoentrelasolucinyelprecipitadodurante72horas(tercerexperimento),esmsimportanteenlaprecipitacin del CaCO3 que la temperaturaisotrmicade60oC.

Enelexperimento2lareaccindeprecipitacindeCaCO3noseestabilizaen9horasdetratamientotrmico, mientras que en el experimento 3, seestabilizahastalasextahora.

Los experimentos demuestran que se puede seleccionarlaprecipitacindecalcitaa60oC.

Lamezclade70%devolumendedestiladocon30%deaguasubterrneaincrementaelrendimiento,manteniendo lacalidadadecuadaparaconsumohumano.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen la asistencia tcnica deSilviaMiranda,MiriamMoreno,ObedChimal,Luisde laTorre,HildaEsparza,ArmandoReyes, LuisFernandoLicnyEnriqueTorresparalarealizacindeeste estudio.

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